铁电超导异质结及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种铁电超导异质结及其应用。铁电超导异质结包括：衬底；超导体，由二维超导材料制成；以及铁电体，由二维铁电材料制成；其中超导体和铁电体并列布置在衬底上；或超导体和铁电体叠置在衬底上。本发明专利技术提供的铁电超导异质结为二维材料层状结构，有利于排除界面晶格失配导致的破坏性效应，有利于实现当铁电极化切换时形成的超导态

【技术实现步骤摘要】
铁电超导异质结及其应用


[0001]本专利技术涉及材料领域，具体地，涉及一种铁电超导异质结、包含该铁电超导异质结的铁电超导场效应管及其制备方法、包含该铁电超导异质结的铁电超导变容二极管及其制备方法、以及铁电超导异质结在超导电路器件、光电传感器或压电器件中的应用。

技术介绍

[0002]铁电存储器是电容式存储器件，但不能直接读出电容器的状态。因此读取时通过强行写入“1”，通过电荷移动的多少来判断“0”还是“1”。所以其读出过程是破坏性的，读取后需重新写入，因此产生大量的擦除/重写的操作，进而额外的功耗和产生疲劳失效等可靠性问题。同时，由于常用材料为钙钛矿型铁电体，其与电极接触的表面将受到晶格匹配限制和界面应力影响，目前无法将器件的整体尺寸降低至百纳米以下。造成存储容量不足、成本增加等问题。
[0003]铁电场效应管，是将铁电体与传统沟道材料的结合，依靠其自发极化，在撤掉外电场后仍能在沟道材料上形成积累或耗尽层，从而保持开关状态。受传统沟道材料的限制，读出时开态仍有一定电阻，造成功耗。
[0004]基于铁电场效应管思路，同时将沟道材料替换为超导体，通过铁电体的极化操作，实现超导体的超导
‑
非超导相变，分别对应无电阻和高电阻，即构造铁电超导场效应管(Ferroelectric
‑
Superconductor FET)。铁电超导场效应管是基于电阻式的信息存储方式，是一种非破坏性读出方式，且由于铁电体的非易失性和超导体的无耗散输运行为，能在开态、关态时均不耗电，大大降低功耗，尤其在需要进行冷却的大规模数据存储和数据备份领域具有较大的应用前景。
[0005]但目前铁电超导异质结技术的研究主要集中于三维钙钛矿型材料，基于此构造铁电超导异质结技术难度高，且由于铁电诱导超导相变发生在界面几个纳米范围内，容易造成以下困难：
[0006](1)界面应力、缺陷等造成散射，影响金属态的形成、破坏超导相变；当切换铁电极化时，无法完全进入超导态，使开关比降低、功耗增加；
[0007](2)界面应力、铁电
‑
超导界面应力限制，钙钛矿型超导体厚度降至单个原胞有困难，而厚层的超导体自身载流子浓度过高，影响超导相变的产生；降低钙钛矿型铁电体厚度和维持其较好的铁电极化有矛盾。因此，整体器件厚度无法降低至百纳米以下，造成存储密度低、操作电压高等。
[0008](3)晶格匹配限制，使衬底、铁电体和超导体等材料体系均局限于钙钛矿型，不利于充分探索各类材料的可行性。
[0009]
技术介绍
部分的内容仅仅是专利技术人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现思路

[0010]为了解决上述问题之一，本专利技术的第一方面提供了一种铁电超导异质结。该铁电超导异质结包括：
[0011]衬底；
[0012]超导体，由二维超导材料制成；以及
[0013]铁电体，由二维铁电材料制成；
[0014]其中，所述超导体和所述铁电体并列布置在所述衬底上；或
[0015]所述超导体和所述铁电体叠置在所述衬底上。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述二维超导材料包括C60、NbSe2、SnSe2、FeSe、过渡金属硫化物、铜基超导体、α
‑
Sn、PbTe或其掺杂材料。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述二维铁电材料包括
Ⅳ‑Ⅵ
族化合物、
Ⅲ‑Ⅴ
族化合物、
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物、过渡金属硫化物及其掺杂材料中的一种或几种。
[0018]本专利技术的第二方面提供了一种铁电超导场效应管，包括：
[0019]上述铁电超导异质结；
[0020]漏极；
[0021]源极；以及
[0022]栅极或局域电极；
[0023]其中，所述漏极与所述铁电超导异质结的所述超导体和所述铁电体相连，或仅与所述超导体相连；
[0024]所述源极与所述超导体和所述铁电体相连，或仅与所述超导体相连；
[0025]所述栅极与所述铁电体相连，或所述局域电极位于所述铁电体上方。
[0026]在本专利技术的一些实施例中，所述超导体和所述铁电体的厚度均在0.2nm至2000nm之间。
[0027]在本专利技术的一些实施例中，当所述超导体和所述铁电体并列布置在所述衬底上时，所述超导体和所述铁电体的界面缺陷密度小于1个/nm；
[0028]当所述超导体和所述铁电体叠置在所述衬底上时，所述超导体和所述铁电体的界面缺陷密度小于5个/nm2。
[0029]本专利技术的第三方面提供了一种制备铁电超导场效应管的方法，包括：
[0030]制备铁电超导异质结；以及
[0031]将电极与所述铁电超导异质结结合在一起；
[0032]其中，所述电极包括所述漏极、所述源极，还包括所述栅极或所述局域电极。
[0033]在本专利技术的一些实施例中，制备铁电超导异质结包括：
[0034]准备衬底；
[0035]在所述衬底上沉积第一材料，获得第一结构；以及
[0036]基于所述第一结构，采用面内外延生长或面外外延生长的方法沉积第二材料，获得第二结构；
[0037]其中，所述第一材料为二维超导材料和二维铁电材料中的一种，所述第二材料为二维超导材料和二维铁电材料中的另一种；
[0038]所述铁电超导异质结为面内异质结或面外异质结。
[0039]在本专利技术的一些实施例中，沉积所述第一材料和沉积所述第二材料的形核速率均为衬底温度均为
‑
196.15～1200℃。
[0040]在本专利技术的一些实施例中，制备铁电超导异质结包括：
[0041]将二维超导材料和二维铁电材料分别进行机械解理，获得所述超导体和所述铁电体；以及
[0042]将所述超导体和所述铁电体叠置在衬底上，获得所述铁电超导异质结。
[0043]本专利技术的第四方面提供了一种铁电超导变容二极管，包括粘附层、金属层和上述铁电超导异质结；
[0044]其中，所述铁电体位于所述衬底和所述超导体之间，所述粘附层位于所述超导体和所述金属层之间；
[0045]所述铁电超导变容二极管为插指结构。
[0046]在本专利技术的一些实施例中，所述铁电体的厚度为1～5000nm，所述超导体的厚度为1～2000nm，所述粘附层的厚度为1～20nm，所述金属层的厚度为1～3000nm。
[0047]在本专利技术的一些实施例中，所述插指结构的插指数量为2～200个，宽度为1～5000nm，相邻插指的间隙为1～5000nm，相对的插指的重叠长度为1～1000nm。
[0048]本专利技术的第五方面提供了一种制备铁电超导变容二极管的方法，其特征在于，包括：
[0049]在衬底上沉积二维铁电材料，获得所述铁电体；
[0050]在所述铁电体上沉积二维超导材料，获得所述超导体；
[0051]在所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁电超导异质结，其特征在于，包括：衬底；超导体，由二维超导材料制成；以及铁电体，由二维铁电材料制成；其中，所述超导体和所述铁电体并列布置在所述衬底上；或所述超导体和所述铁电体叠置在所述衬底上。2.根据权利要求1所述的铁电超导异质结，其特征在于，所述二维超导材料包括C60、NbSe2、SnSe2、FeSe、过渡金属硫化物、铜基超导体、α
‑
Sn、PbTe或其掺杂材料。3.根据权利要求1所述的铁电超导异质结，其特征在于，所述二维铁电材料包括
Ⅳ‑Ⅵ
族化合物、
Ⅲ‑Ⅴ
族化合物、
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物、过渡金属硫化物及其掺杂材料中的一种或几种。4.一种铁电超导场效应管，其特征在于，包括：权利要求1～3中任一所述的铁电超导异质结；漏极；源极；以及栅极或局域电极；其中，所述漏极与所述铁电超导异质结的所述超导体和所述铁电体相连，或仅与所述超导体相连；所述源极与所述超导体和所述铁电体相连，或仅与所述超导体相连；所述栅极与所述铁电体相连，或所述局域电极位于所述铁电体上方。5.根据权利要求4所述的铁电超导场效应管，其特征在于，所述超导体和所述铁电体的厚度均在0.2nm至2000nm之间。6.根据权利要求5所述的铁电超导场效应管，其特征在于，当所述超导体和所述铁电体并列布置在所述衬底上时，所述超导体和所述铁电体的界面缺陷密度小于1个/nm；当所述超导体和所述铁电体叠置在所述衬底上时，所述超导体和所述铁电体的界面缺陷密度小于5个/nm2。7.一种制备权利要求4～6中任一所述的铁电超导场效应管的方法，其特征在于，包括：制备铁电超导异质结；以及将电极与所述铁电超导异质结结合在一起；其中，所述电极包括所述漏极、所述源极，还包括所述栅极或所述局域电极。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，制备铁电超导异质结包括：准备衬底；在所述衬底上沉积第一材料，获得第一结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文琳，常凯，
申请(专利权)人：北京量子信息科学研究院，
类型：发明
国别省市：